Вимірювання тиску: класифікація приладів (стр. 1 из 4)

ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

1 Загальна класифікація

Тиском називають відношення сили, що діє перпендикулярно поверхні, до площі цієї поверхні. Тиск - одна з основних величин, що визначає термодинамічний стан речовин. Тиском багато в чому визначається хід технологічного процесу, стан технологічних апаратів і режими їхнього функціонування. Із завданням вимірювання тиску доводиться зіштовхуватися при вимірюваннях деяких технологічних параметрів, наприклад витрати газу або пари, при термодинамічних параметрах, що змінюються, рівня рідини, і ін.

Розрізняють наступні основні види тиску: атмосферний, абсолютний, надлишковий і вакуум (розрідження).

Атмосферний (барометричний) тиск (Рб) — тиск, створюваний масою повітряного стовпа земної атмосфери. Він має змінне значення, що залежить від висоти місцевості над рівнем моря, географічної широти і метеорологічних умов (погоди).

Надлишковий тиск (Р) — різниця між абсолютним і барометричним тисками.

Абсолютний тиск (Ра)— тиск, відлічений від абсолютного нуля. За початок відліку абсолютного тиску приймають тиск усередині посудини, з якої повністю видалене повітря.

Абсолютний тиск Ра середовища може бути більше або менше атмосферного. У першому випадку абсолютний тиск дорівнює сумі атмосферного і надлишкового тисків:

Ра = Рб + Р (1)

У другому випадку абсолютний тиск менше атмосферного на величину вакуум метричного тиску, тобто

Ра = Рб − Р (2)

В окремому випадку, коли Р або Рв дорівнює нулю, абсолютний тиск дорівнює атмосферному.

Вакуум (розрідження) (Рв)— різниця між барометричним і абсолютним тисками. Іноді вакуумметричний тиск виражають у вигляді відносної величини V у відсотках атмосферного тиску:

(3)

Статичний тиск (Рс) потоку може бути надлишковим або вакуумметричним, в окремому випадку він може бути дорівнювати атмосферному.

Повний тиск середовища, що рухається (РП) складається зі статичного (Рс) і динамічного (РД) тисків,

РП = Рс + РД (4)

Динамічний тиск (РД) (Па), що залежить від швидкості потоку (швидкісний напір) для рідини, а також для газу і пари при помірних швидкостях визначається по формулі

(5)

де v – швидкість руху речовини, м/с;

ρ – густина речовини, кг/м3.

У Міжнародній системі одиниць (SI) за одиницю тиску прийнятий паскаль (Па) — тиск, створюваний силою в 1 ньютон (Н), рівномірно розподіленої по поверхні площею 1 м2 і спрямованої нормально до неї.

Несистемна одиниця тиску (1 кгс/см2) дорівнює тиску на площу 1 см2 сили в 1 кгс, де 1 кгс — сила, що придає масі в 1 кг нормальне прискорення вільного падіння в 9,81 м/с2. Одиниця тиску системи МКГСС (метр, кілограм-сила, секунда) дорівнює 1 кгс/м2.

У рідинних приладах з водяним або ртутним заповненням скляних трубок вимірювання тиску виконується в міліметрах водяного або ртутного стовпа (мм.вод.ст. або мм.рт.ст.). Значення, обмірювані в цих одиницях, звичайно відносять до нормального прискорення вільного падіння тіл і нормальній температурі, рівної для води 4°С і ртуті 0°С. Неважко встановити, що тиск в 1 мм.вод.ст. дорівнює тиску в 1 кгс/м2.

Несистемна одиниця тиску — бар, дорівнює тиску 1·105 Па або 1,01972 кгс/см2. Ця одиниця зручна в тім відношенні, що числа, що виражають тиск у барах і кгс/см2, відрізняються між собою не більше ніж на 2%.

Через те що зазначені одиниці — кгс/см2, мм.вод.ст., мм.рт.ст. і бар — у цей час мають поширення, вони тимчасово допускаються до застосування поряд з одиницями системи SI.

В англійських мірах одиницею тиску є 1 англ. фунт-сила (4,45 Н) на 1 кв. дюйм (0,645·10-3 м2), рівна 6890 Па.

Співвідношення між одиницею тиску системи SI і колишніми наведені в табл.5.1.

Для наближеного перерахування тиску, вираженого в кгс/см2 і кгс/м2, у тиск, виражений відповідно в МПа і Па, необхідно в першому випадку числове значення зменшити в 10 разів, а в другому — збільшити в 10 разів. Так, наприклад, тиск в 100 кгс/см2 відповідає тиску в 10 МПа, а тиск в 100 кгс/м2 — тиску в 1000 Па.

Засоби вимірювання тиску класифікують по виду вимірювального тиску і принципу дії. По виду вимірювального тиску засоби вимірювання підрозділяють на:

- манометри надлишкового тиску — для вимірювання надлишкового тиску;

- манометри абсолютного тиску — для вимірювання тиску, відліченого від абсолютного нуля;

- барометри — для вимірювання атмосферного тиску. Барометри розділяються на ртутні і мембранні;

- вакуумметри — для вимірювання вакууму (розрідження);

- мановакуумметри — для вимірювання надлишкового тиску і вакууму (розрідження).

Крім перелічених засобів вимірювання у практиці вимірювання одержали поширення:

- напороміри — манометри рисих надлишкових тисків (до 40 кПа);

- тягоміри — вакууметри з верхньою межею вимірювання не більше — 40 кПа;

- тягонапороміри — мановакуумметри з діапазоном вимірювання +20…-20 кПа;

- вакуумметри залишкового тиску — вакуумметри, призначені для вимірювання глибокого вакууму або залишкового тиску, тобто абсолютних тисків менш 200 Па;

диференційні манометри — прилади вимірювання різниці тисків.

За принципом дії засоби вимірювання тиску підрозділяють на: рідинні, поршневі, деформаційні (пружинні), іонізаційні, теплові, електричні. Така кваліфікація не є вичерпною і може бути доповнена засобами вимірювання, заснованими на інших фізичних явищах.

Найбільша кількість приладів, які застосовуються для вимірювання тиску, є манометрами надлишкового тиску. У цей час існує великий парк приладів вимірювання тиску, що дозволяє здійснити вимірювання тиску в діапазоні 10-12…1011Па.

Далі розглянуті прилади вимірювання тиску, широко застосовувані в якості робочих при технологічних вимірюваннях.

2. Рідинні засоби вимірювання тиску

Для рідинних манометрів величиною, що характеризує вимірювальний тиск, служить видима висота стовпа (рівень) рідини, який врівноважується, у скляній вимірювальній трубці. До приладів цього виду відносяться однотрубні (чашкові) і двотрубні (U-образні) манометри. До числа рідинних засобів вимірювання тиску (різниці тисків і розрідження) з гідростатичним зрівноважуванням, які ще застосовуються у технологічних процесах, відносяться поплавкові і колокольні дифманометри.

Рідинні манометри є досить простими і точними приладами, що служать для визначення невеликих надлишкових тисків, що не перевищують 0,2 МПа. Вони широко застосовуються при дослідницьких і налагоджувальних роботах. У цих манометрах у якості врівноважувальної рідини використовують ртуть, дистильовану воду або етиловий спирт.

У цей час номенклатура рідинних засобів вимірювання тиску з гідростатичним зрівноважуванням істотно обмежена. У більшості випадків вони замінені більше удосконаленими деформаційними засобами вимірювання.

Двотрубні манометри. Найбільше часто застосовується двотрубний манометр (рис.5.1), що складається зі скляних вимірювальних трубок 1 і 2, з'єднаних унизу і закріплених на вертикальній підставі 3. Між трубками поміщена міліметрова шкала 4 з нульовою оцінкою посередині. Вимірювальні трубки заповнюються рідиною, що врівноважує, до нульової відмітки шкали. Трубка 1 з’єднана гумовою трубкою 5 з вимірювальним середовищем, яке перебуває під абсолютним тиском Ра, а трубка 2 — з атмосферою, яка має тиск Рб. Як правило, трубка 1, зв'язана із середовищем більшого тиску, позначається знаком “+” (плюсова трубка), а трубка 2, зв'язана із середовищем меншого тиску, позначається знаком “—“ (мінусова трубка).

При включенні манометра вимірювальний тиск врівноважується стовпом рідини висотою h, який відлічується по шкалі приладу.

Внаслідок того, що рівень рідини в трубці 1 понизиться, а в трубці 2 відповідно зросте, то загальна висота стовпа h буде дорівнювати сумі поділок, позначених на шкалі вище і нижче нульової поділки.

Якщо рідиною, що врівноважує, служить вода або спирт, то відлік показань проводиться по нижній границі меніска, а якщо ртуть - те по верхній. Тоді тиск визначається як:

P = h*ρ *g (6)

Таким чином, при вимірюванні надлишкового тиску висота стовпа рідини, що врівноважує, не залежить від площі отвору вимірювальних трубок.

З рівняння (6) видно, що для обмеження висоти трубок манометра, обмежується міцністю і зручністю відліку, і не повинно перевищувати 1,5 м, при вимірюванні надлишкових тисків 0,015…0,2 МПа варто застосовувати рідину, що врівноважує, з великою густиною (ртуть), а при більше низьких тисках - з малою (вода, спирт і ін.).

Випускаються двотрубні манометри з діапазоном показань 100, 160, 250, 400, 600 і 1000 мм стовпа рідини.

При вимірюванні тиску двотрубним манометром представляє незручність відлік рівнів рідини одночасно в обох вимірювальних трубках. При значних коливаннях вимірювального тиску це утрудняє точне визначення показань приладу. У таких випадках для зменшення коливань рівнів рідини застосовують місцеве звуження перетину сполучної лінії.

Однотрубні манометри. На рис.2 показана схема однотрубного манометра, що відрізняється від двотрубного тим, що замість другої вимірювальної трубки має широку посудину (чашку) 1. До нижньої частини посудини приєднана скляна вимірювальна трубка 2, поруч із якої закріплена міліметрова шкала 3. Прилад змонтований на вертикальній підставі 4. Посудина манометра контактує з вимірювальним середовищем трубкою 5. Вільний кінець вимірювальної трубки з'єднаний з атмосферою. Посудина і вимірювальна трубка заповнюються рідиною, що врівноважує, до нульової поділки шкали. У більшості випадків зниженням рівня рідини в посудині, тобто h2 (див. рис. 2), можна зневажити і вважати h≈h1. Тоді

P = h1 ρ g (7)

Похибка вимірювання однотрубним манометром вище, ніж двотрубним, зате більшою зручністю першого з них є вимірювання рівня рідини в одній трубці.